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Séries Numériques (B)


Concept 1: Définition et Propriétés Fondamentales des Séries Numériques

Prérequis

  • Suites numériques dans K\mathbb{K} (avec K=R\mathbb{K} = \mathbb{R} ou C\mathbb{C})
  • Notion de limite d’une suite
  • Structure d’espace vectoriel

Définition

Soit (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite d’éléments de K\mathbb{K}.

Une série numérique est le couple de suites ((un)nN,(sn)nN)((u_n)_{n \in \mathbb{N}}, (s_n)_{n \in \mathbb{N}}) où la suite (sn)nN(s_n)_{n \in \mathbb{N}} est définie par :

nN,sn=k=0nuk\forall n \in \mathbb{N}, \quad s_n = \sum_{k=0}^{n} u_k

  • La suite (un)(u_n) est appelée la suite du terme général de la série.
  • La suite (sn)(s_n) est appelée la suite des sommes partielles de la série.
  • La série est dite convergente si la suite des sommes partielles (sn)(s_n) converge dans K\mathbb{K}. Dans ce cas, sa limite s=limnsns = \lim_{n \to \infty} s_n est appelée somme de la série, et on note s=n=0uns = \sum_{n=0}^{\infty} u_n.
  • Si la série est convergente de somme ss, le reste d’ordre n, noté rnr_n, est défini par rn=ssn=k=n+1ukr_n = s - s_n = \sum_{k=n+1}^{\infty} u_k. Par définition, limnrn=0\lim_{n \to \infty} r_n = 0.
  • Une série qui ne converge pas est dite divergente.

Propriétés Clés

  • Caractère de la série : La nature (convergence ou divergence) d’une série est inchangée par la modification d’un nombre fini de ses termes. Cependant, la valeur de la somme, si elle existe, dépend de tous les termes.

  • Structure d’espace vectoriel : L’ensemble des séries convergentes à valeurs dans K\mathbb{K} est un K\mathbb{K}-espace vectoriel.

    Hypothèses : Soient un\sum u_n et vn\sum v_n deux séries convergentes de sommes respectives SuS_u et SvS_v, et λK\lambda \in \mathbb{K}.

    Conclusion :

    1. La série somme (un+vn)\sum (u_n + v_n) converge et sa somme est Su+SvS_u + S_v.
    2. La série produit par un scalaire (λun)\sum (\lambda u_n) converge et sa somme est λSu\lambda S_u.

    Preuve : Soient sn=k=0nuks_n = \sum_{k=0}^n u_k et σn=k=0nvk\sigma_n = \sum_{k=0}^n v_k. Par hypothèse, limnsn=Su\lim_{n \to \infty} s_n = S_u et limnσn=Sv\lim_{n \to \infty} \sigma_n = S_v.

    1. La somme partielle de (un+vn)\sum (u_n+v_n) est k=0n(uk+vk)=sn+σn\sum_{k=0}^n (u_k+v_k) = s_n + \sigma_n. Par linéarité de la limite de suites, limn(sn+σn)=Su+Sv\lim_{n \to \infty} (s_n + \sigma_n) = S_u + S_v.
    2. La somme partielle de (λun)\sum (\lambda u_n) est k=0n(λuk)=λsn\sum_{k=0}^n (\lambda u_k) = \lambda s_n. Par propriété de la limite de suites, limn(λsn)=λSu\lim_{n \to \infty} (\lambda s_n) = \lambda S_u.

Exemples

Exemple 1 : Série géométrique

Soit a,rKa, r \in \mathbb{K} avec a0a \ne 0. La série de terme général un=arnu_n = ar^n est appelée série géométrique.

  • Si r=1r=1, sn=a(n+1)s_n = a(n+1), la série diverge.
  • Si r1r \ne 1, sn=a1rn+11rs_n = a \frac{1-r^{n+1}}{1-r}. La suite (sn)(s_n) converge si et seulement si r<1|r|<1.
  • Conclusion : La série géométrique arn\sum ar^n converge si et seulement si r<1|r|<1, et sa somme est alors S=a1rS = \frac{a}{1-r}.

Exemple 2 : Série télescopique

Soit (an)nN(a_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite dans K\mathbb{K}. La série de terme général un=anan+1u_n = a_n - a_{n+1} est une série télescopique.

Sa somme partielle est sn=k=0n(akak+1)=a0an+1s_n = \sum_{k=0}^n (a_k - a_{k+1}) = a_0 - a_{n+1}.

La série converge si et seulement si la suite (an)(a_n) converge. Si limnan=L\lim_{n \to \infty} a_n = L, alors la somme de la série est S=a0LS = a_0 - L.

Par exemple, pour un=1n(n+1)=1n1n+1u_n = \frac{1}{n(n+1)} = \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1} (pour n1n \ge 1), on a sn=k=1n(1k1k+1)=11n+11s_n = \sum_{k=1}^n (\frac{1}{k} - \frac{1}{k+1}) = 1 - \frac{1}{n+1} \to 1. La série converge et sa somme est 1.

Exemple 3 : Série de Riemann

La série de terme général un=1nαu_n = \frac{1}{n^\alpha} pour αR\alpha \in \mathbb{R} est une série de Riemann. Il est connu qu’elle converge si et seulement si α>1\alpha > 1. La démonstration de ce résultat nécessite des outils plus avancés (comparaison série-intégrale).

Contre-exemples

Contre-exemple 1 : Série divergente

La série de terme général un=cu_n = c avec cKc \in \mathbb{K}^*. La suite des sommes partielles est sn=(n+1)cs_n = (n+1)c, qui diverge. Donc la série diverge.

Contre-exemple 2 : Modification d’une infinité de termes

Considérons la série convergente un\sum u_nun=0u_n=0 pour tout nn. Sa somme est 0. Modifions une infinité de termes en posant vn=unv_n = u_n si nn est impair et vn=1v_n=1 si nn est pair. La nouvelle série vn\sum v_n a pour somme partielle σ2p+1=σ2p=p+1\sigma_{2p+1} = \sigma_{2p} = p+1, qui diverge vers ++\infty. La nature de la série a été modifiée.

Concepts Liés

  • Suites numériques : L’étude de la convergence des séries se ramène entièrement à l’étude de la convergence de la suite de leurs sommes partielles.
  • Applications linéaires : L’opérateur “somme” S:CKS: \mathcal{C} \to \mathbb{K}, où C\mathcal{C} est l’espace vectoriel des séries convergentes, qui associe à une série sa somme, est une application linéaire.

Concept 2: Critère de Cauchy et Condition Nécessaire de Convergence

Prérequis

  • Suites de Cauchy
  • Complétude de R\mathbb{R} et C\mathbb{C}

Définition

Théorème (Critère de Cauchy pour les séries) : Soit un\sum u_n une série numérique à valeurs dans K\mathbb{K} (complet). La série un\sum u_n converge si et seulement si :

ε>0,NN,qp>N,k=pqukε\forall \varepsilon > 0, \exists N \in \mathbb{N}, \forall q \ge p > N, \left| \sum_{k=p}^{q} u_k \right| \le \varepsilon

Preuve :

Soit (sn)(s_n) la suite des sommes partielles. Par définition, la série un\sum u_n converge si et seulement si la suite (sn)(s_n) converge. Comme K\mathbb{K} est complet, la suite (sn)(s_n) converge si et seulement si c’est une suite de Cauchy.

La condition de Cauchy pour (sn)(s_n) s’écrit :

ε>0,NN,m>n>N,smsnε\forall \varepsilon > 0, \exists N' \in \mathbb{N}, \forall m > n > N', |s_m - s_n| \le \varepsilon

En posant m=qm=q et n=p1n=p-1 (avec qp>N+1q \ge p > N'+1), on a sqsp1=k=pquk|s_q - s_{p-1}| = |\sum_{k=p}^{q} u_k|. La condition du théorème est donc équivalente à la condition de Cauchy pour la suite (sn)(s_n).

Propriétés Clés

Proposition (Condition nécessaire de convergence) : Si la série un\sum u_n converge, alors son terme général tend vers 0.

(un converge)    (limnun=0)\left( \sum u_n \text{ converge} \right) \implies \left( \lim_{n \to \infty} u_n = 0 \right)

La réciproque est fausse.

Preuve :

Si un\sum u_n converge, elle satisfait le critère de Cauchy. Soit ε>0\varepsilon > 0. Il existe NNN \in \mathbb{N} tel que pour qp>Nq \ge p > N, k=pqukε|\sum_{k=p}^{q} u_k| \le \varepsilon.

En particulier, en choisissant p=np=n et q=nq=n pour n>Nn > N, on obtient un=k=nnukε|u_n| = |\sum_{k=n}^{n} u_k| \le \varepsilon.

Ceci démontre que limnun=0\lim_{n \to \infty} u_n = 0.

Exemples

Exemple 1 : Divergence de la série harmonique

Soit la série harmonique n11n\sum_{n \ge 1} \frac{1}{n}. Son terme général 1n\frac{1}{n} tend vers 0. Montrons qu’elle ne satisfait pas le critère de Cauchy.

Prenons ε=1/2\varepsilon = 1/2. Pour tout NNN \in \mathbb{N}, choisissons p=N+1p=N+1 et q=2(N+1)=2pq=2(N+1)=2p. Alors :

k=pq1k=k=N+12(N+1)1k=1N+1+1N+2++12N+2\left| \sum_{k=p}^{q} \frac{1}{k} \right| = \sum_{k=N+1}^{2(N+1)} \frac{1}{k} = \frac{1}{N+1} + \frac{1}{N+2} + \dots + \frac{1}{2N+2}

Chaque terme de la somme est supérieur ou égal au dernier, 12N+2\frac{1}{2N+2}. Il y a (2N+2)(N+1)+1=N+2(2N+2) - (N+1) + 1 = N+2 termes.

k=N+12(N+1)1k(N+2)×12N+2=N+22(N+1)>N+12(N+1)=12\sum_{k=N+1}^{2(N+1)} \frac{1}{k} \ge (N+2) \times \frac{1}{2N+2} = \frac{N+2}{2(N+1)} > \frac{N+1}{2(N+1)} = \frac{1}{2}

La condition de Cauchy n’est pas vérifiée pour ε=1/2\varepsilon=1/2. La série diverge.

Exemple 2 : Divergence grossière

Considérons la série nn+1\sum \frac{n}{n+1}. Le terme général un=nn+1u_n = \frac{n}{n+1} tend vers 1, et non vers 0. La condition nécessaire de convergence n’est pas satisfaite, donc la série diverge. On parle de divergence grossière.

Exemple 3 : Convergence de 1n2\sum \frac{1}{n^2}

Montrons que n11n2\sum_{n \ge 1} \frac{1}{n^2} satisfait le critère de Cauchy. Pour q>p1q > p \ge 1:

k=pq1k2=k=pq1k2<k=pq1k(k1)(pour k2)\left| \sum_{k=p}^{q} \frac{1}{k^2} \right| = \sum_{k=p}^{q} \frac{1}{k^2} < \sum_{k=p}^{q} \frac{1}{k(k-1)} \quad (\text{pour } k \ge 2)

k=pq1k(k1)=k=pq(1k11k)=1p11q\sum_{k=p}^{q} \frac{1}{k(k-1)} = \sum_{k=p}^{q} \left( \frac{1}{k-1} - \frac{1}{k} \right) = \frac{1}{p-1} - \frac{1}{q}

Pour pp assez grand, cette quantité peut être rendue arbitrairement petite. Soit ε>0\varepsilon > 0. Choisissons NN tel que 1N1<ε\frac{1}{N-1} < \varepsilon. Alors pour q>p>Nq > p > N, on a 1p1<ε\frac{1}{p-1} < \varepsilon, donc k=pq1k2<ε|\sum_{k=p}^{q} \frac{1}{k^2}| < \varepsilon. La série converge.

Contre-exemples

Contre-exemple 1 : Réciproque de la condition nécessaire

La série harmonique 1n\sum \frac{1}{n} (cf. Exemple 1) est le contre-exemple standard. Son terme général tend vers 0, mais la série diverge.

Contre-exemple 2 : Une autre série divergente avec un0u_n \to 0

La série n21nlnn\sum_{n \ge 2} \frac{1}{n \ln n} diverge (ce qui peut être montré par comparaison avec une intégrale), bien que son terme général tende vers 0.

Concepts Liés

  • Complétude d’un espace normé : Le critère de Cauchy est une propriété fondamentale des espaces de Banach. Le fait qu’il s’applique aux séries dans R\mathbb{R} ou C\mathbb{C} est une conséquence directe de la complétude de ces corps.
  • Convergence de suites : Le critère reformule la convergence d’une série en une propriété intrinsèque de la suite de ses termes généraux, sans faire référence à la limite.

Concept 3: Convergence Absolue et Semi-Convergence

Prérequis

  • Critère de Cauchy pour les séries
  • Valeur absolue et inégalité triangulaire

Définition

  • Une série un\sum u_n est dite absolument convergente si la série des valeurs absolues (ou des modules dans C\mathbb{C}) un\sum |u_n| est convergente.
  • Une série est dite semi-convergente si elle est convergente mais non absolument convergente.

Propriétés Clés

Proposition 1 : La convergence absolue implique la convergence.

Hypothèse : La série un\sum u_n est absolument convergente.

Conclusion : La série un\sum u_n est convergente.

Preuve : On utilise le critère de Cauchy. L’hypothèse que un\sum |u_n| converge implique qu’elle vérifie le critère de Cauchy :

ε>0,NN,qp>N,k=pqukε\forall \varepsilon > 0, \exists N \in \mathbb{N}, \forall q \ge p > N, \sum_{k=p}^{q} |u_k| \le \varepsilon

Par l’inégalité triangulaire généralisée, on a :

k=pqukk=pqukε\left| \sum_{k=p}^{q} u_k \right| \le \sum_{k=p}^{q} |u_k| \le \varepsilon

La série un\sum u_n vérifie donc aussi le critère de Cauchy, et par complétude de K\mathbb{K}, elle converge.

Proposition 2 : Caractérisation pour les séries à termes positifs.

Pour une série un\sum u_n à termes positifs (un0u_n \ge 0), la convergence et la convergence absolue sont équivalentes. La série converge si et seulement si la suite de ses sommes partielles est majorée.

Proposition 3 : Structure d’espace de Banach.

L’ensemble 1\ell^1 des suites (un)(u_n) telles que la série un\sum u_n converge absolument est un K\mathbb{K}-espace vectoriel normé par (un)1=n=0un\|(u_n)\|_{\ell^1} = \sum_{n=0}^\infty |u_n|. C’est un espace de Banach.

Exemples

Exemple 1 : Convergence absolue

La série (1)nn2\sum \frac{(-1)^n}{n^2} est absolument convergente car la série (1)nn2=1n2\sum |\frac{(-1)^n}{n^2}| = \sum \frac{1}{n^2} est une série de Riemann avec α=2>1\alpha=2>1, qui est convergente.

Exemple 2 : Semi-convergence

La série harmonique alternée n1(1)n1n\sum_{n \ge 1} \frac{(-1)^{n-1}}{n} est convergente (d’après le critère des séries alternées, sa somme est ln2\ln 2). Cependant, elle n’est pas absolument convergente car la série des valeurs absolues est la série harmonique 1n\sum \frac{1}{n}, qui diverge. C’est donc une série semi-convergente.

Exemple 3 : Une série dans C\mathbb{C}

La série einθn2\sum \frac{e^{in\theta}}{n^2} pour θR\theta \in \mathbb{R} est absolument convergente. En effet, un=einθn2=einθn2=1n2|u_n| = |\frac{e^{in\theta}}{n^2}| = \frac{|e^{in\theta}|}{n^2} = \frac{1}{n^2}. La série 1n2\sum \frac{1}{n^2} converge.

Contre-exemples

Contre-exemple 1 : La réciproque est fausse

La série harmonique alternée (Exemple 2) montre qu’une série peut être convergente sans être absolument convergente.

Contre-exemple 2 : Une série divergente

La série (1)nn\sum \frac{(-1)^n}{\sqrt{n}} est semi-convergente. La série 1n\sum \frac{1}{\sqrt{n}} est divergente. Si on prend la série 1n\sum \frac{1}{\sqrt{n}}, elle diverge et n’est bien sûr pas absolument convergente non plus (les notions coïncident pour les séries à termes positifs).

Concepts Liés

  • Théorème de réarrangement de Riemann : Un résultat avancé stipule que si une série est semi-convergente, on peut réarranger l’ordre de ses termes pour la faire converger vers n’importe quelle valeur de R\overline{\mathbb{R}}, ou même la faire diverger. En revanche, si une série est absolument convergente, tout réarrangement de ses termes converge vers la même somme. La convergence absolue est donc une forme de convergence “inconditionnelle”.
  • Séries à termes positifs : L’étude de la convergence absolue d’une série quelconque un\sum u_n se ramène à l’étude de la convergence d’une série à termes positifs un\sum |u_n|, pour laquelle des outils puissants (comme les critères de comparaison) sont disponibles.

Concept 4: Produit de Cauchy de Séries

Prérequis

  • Convergence absolue
  • Manipulation de sommes doubles
  • Limites de suites

Définition

Soient deux séries n=0un\sum_{n=0}^\infty u_n et n=0vn\sum_{n=0}^\infty v_n. Le produit de Cauchy de ces deux séries est la série n=0wn\sum_{n=0}^\infty w_n dont le terme général est défini par :

wn=k=0nukvnk=p+q=n,p,q0upvqw_n = \sum_{k=0}^{n} u_k v_{n-k} = \sum_{p+q=n, p,q \ge 0} u_p v_q

Cette définition est inspirée du produit de deux polynômes ou de deux séries entières.

Propriétés Clés

Théorème (de Mertens, version forte)

Hypothèses : Soient un\sum u_n et vn\sum v_n deux séries absolument convergentes, de sommes respectives S=n=0unS = \sum_{n=0}^\infty u_n et σ=n=0vn\sigma = \sum_{n=0}^\infty v_n.

Conclusion : Leur produit de Cauchy wn\sum w_n est absolument convergent et sa somme est SσS\sigma.

n=0wn=(n=0un)(n=0vn)\sum_{n=0}^{\infty} w_n = \left(\sum_{n=0}^{\infty} u_n\right) \left(\sum_{n=0}^{\infty} v_n\right)

Esquisse de la preuve :

  1. Convergence absolue de wn\sum w_n: On note s~=un\tilde{s} = \sum |u_n| et σ~=vn\tilde{\sigma} = \sum |v_n|.

    wn=k=0nukvnkk=0nukvnk|w_n| = |\sum_{k=0}^n u_k v_{n-k}| \le \sum_{k=0}^n |u_k||v_{n-k}|.

    La somme partielle des valeurs absolues de wn\sum w_n est k=0nwkk=0nj=0kujvkj\sum_{k=0}^n |w_k| \le \sum_{k=0}^n \sum_{j=0}^k |u_j||v_{k-j}|.

    Cette somme correspond aux termes upvq|u_p||v_q|p+qnp+q \le n. Elle est donc majorée par (p=0nup)(q=0nvq)s~σ~(\sum_{p=0}^n |u_p|)(\sum_{q=0}^n |v_q|) \le \tilde{s}\tilde{\sigma}. La suite des sommes partielles de wn\sum |w_n| est croissante et majorée, donc elle converge.

  2. Valeur de la somme: Soient sn,σn,Πns_n, \sigma_n, \Pi_n les sommes partielles de un,vn,wn\sum u_n, \sum v_n, \sum w_n.

    On montre que limn(snσnΠn)=0\lim_{n \to \infty} (s_n \sigma_n - \Pi_n) = 0.

    snσn=(i=0nui)(j=0nvj)=i=0nj=0nuivjs_n \sigma_n = (\sum_{i=0}^n u_i)(\sum_{j=0}^n v_j) = \sum_{i=0}^n \sum_{j=0}^n u_i v_j.

    Πn=k=0nwk=k=0ni=0kuivki=i+jnuivj\Pi_n = \sum_{k=0}^n w_k = \sum_{k=0}^n \sum_{i=0}^k u_i v_{k-i} = \sum_{i+j \le n} u_i v_j.

    La différence snσnΠns_n \sigma_n - \Pi_n est la somme des termes uivju_i v_j sur l’ensemble d’indices En={(i,j){0,...,n}2i+j>n}E_n = \{(i,j) \in \{0,...,n\}^2 \mid i+j > n\}.

    En utilisant la convergence absolue des séries de départ, on montre que la somme des modules des termes sur EnE_n tend vers 0.

Pointeur vers d’autres résultats :

  • Théorème de Mertens (version faible): Si un\sum u_n converge absolument et vn\sum v_n converge (pas forcément absolument), alors leur produit de Cauchy converge et sa somme est le produit des sommes.
  • Théorème d’Abel: Si un\sum u_n, vn\sum v_n et leur produit de Cauchy wn\sum w_n convergent tous les trois vers S,σ,ΠS, \sigma, \Pi respectivement, alors Π=Sσ\Pi = S\sigma.

Exemples

Exemple 1 : Exponentielle complexe

Soient x,yCx, y \in \mathbb{C}. Les séries ex=n=0xnn!e^x = \sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} et ey=n=0ynn!e^y = \sum_{n=0}^\infty \frac{y^n}{n!} sont absolument convergentes.

Le terme général de leur produit de Cauchy est :

wn=k=0nxkk!ynk(nk)!=1n!k=0nn!k!(nk)!xkynk=(x+y)nn!w_n = \sum_{k=0}^{n} \frac{x^k}{k!} \frac{y^{n-k}}{(n-k)!} = \frac{1}{n!} \sum_{k=0}^{n} \frac{n!}{k!(n-k)!} x^k y^{n-k} = \frac{(x+y)^n}{n!}

Le produit de Cauchy est donc la série n=0(x+y)nn!=ex+y\sum_{n=0}^\infty \frac{(x+y)^n}{n!} = e^{x+y}. Le théorème confirme que exey=ex+ye^x e^y = e^{x+y}.

Exemple 2 : Produit de séries géométriques

Soit un=an,vn=bnu_n = a^n, v_n = b^n avec a<1,b<1|a|<1, |b|<1 et aba \ne b.

wn=k=0nakbnk=bnk=0n(a/b)k=bn1(a/b)n+11(a/b)=bn+1an+1baw_n = \sum_{k=0}^n a^k b^{n-k} = b^n \sum_{k=0}^n (a/b)^k = b^n \frac{1-(a/b)^{n+1}}{1-(a/b)} = \frac{b^{n+1} - a^{n+1}}{b-a}

La série wn\sum w_n converge et sa somme est 1ba(b1ba1a)=1(1a)(1b)\frac{1}{b-a}(\frac{b}{1-b} - \frac{a}{1-a}) = \frac{1}{(1-a)(1-b)}, qui est bien le produit des sommes 11a\frac{1}{1-a} et 11b\frac{1}{1-b}.

Exemple 3 : Produit avec une série nulle

Si u0=1,u1=1u_0 = 1, u_1=-1 et un=0u_n=0 pour n2n \ge 2, et vn=1v_n=1 pour tout nn. un\sum u_n converge absolument vers 0. vn\sum v_n diverge. wn=k=0nukvnk=u0vn+u1vn1=11=0w_n = \sum_{k=0}^n u_k v_{n-k} = u_0 v_n + u_1 v_{n-1} = 1 - 1 = 0. Le produit de Cauchy est la série nulle, qui converge vers 0.

Contre-exemples

Contre-exemple 1 : Produit de deux séries semi-convergentes

Soit un=vn=(1)nn+1u_n = v_n = \frac{(-1)^n}{\sqrt{n+1}} pour n0n \ge 0. Les séries un\sum u_n et vn\sum v_n sont semi-convergentes (par le critère des séries alternées).

Le terme général du produit de Cauchy est :

wn=k=0nukvnk=k=0n(1)kk+1(1)nknk+1=(1)nk=0n1(k+1)(nk+1)w_n = \sum_{k=0}^{n} u_k v_{n-k} = \sum_{k=0}^{n} \frac{(-1)^k}{\sqrt{k+1}} \frac{(-1)^{n-k}}{\sqrt{n-k+1}} = (-1)^n \sum_{k=0}^{n} \frac{1}{\sqrt{(k+1)(n-k+1)}}

L’inégalité arithmético-géométrique donne (k+1)(nk+1)(k+1)+(nk+1)2=n+22\sqrt{(k+1)(n-k+1)} \le \frac{(k+1)+(n-k+1)}{2} = \frac{n+2}{2}.

Donc 1(k+1)(nk+1)2n+2\frac{1}{\sqrt{(k+1)(n-k+1)}} \ge \frac{2}{n+2}.

wn=k=0n1(k+1)(nk+1)k=0n2n+2=(n+1)2n+2|w_n| = \sum_{k=0}^{n} \frac{1}{\sqrt{(k+1)(n-k+1)}} \ge \sum_{k=0}^{n} \frac{2}{n+2} = (n+1)\frac{2}{n+2}

Comme limn2(n+1)n+2=2\lim_{n \to \infty} \frac{2(n+1)}{n+2} = 2, le terme général wn|w_n| ne tend pas vers 0. La série produit diverge grossièrement.

Concepts Liés

  • Séries entières : Le produit de Cauchy est l’outil principal pour multiplier des séries entières, ce qui correspond à la multiplication des fonctions analytiques qu’elles représentent.
  • Convolution de suites : Le terme général wnw_n est le produit de convolution discret des suites (un)(u_n) et (vn)(v_n).

Concept 5: Séries à Termes Positifs et Critère de Comparaison

Prérequis

  • Suites monotones
  • Théorème de la limite monotone

Définition

Une série un\sum u_n est dite à termes positifs si un0u_n \ge 0 pour tout nNn \in \mathbb{N} (ou au moins à partir d’un certain rang).

Propriétés Clés

Proposition 1 : Critère fondamental de convergence

Hypothèse : un\sum u_n est une série à termes positifs.

Conclusion : La série un\sum u_n converge si et seulement si la suite de ses sommes partielles (sn)(s_n) est majorée. Si elle n’est pas majorée, elle diverge vers ++\infty.

Preuve : La suite des sommes partielles sn=k=0nuks_n = \sum_{k=0}^n u_k est croissante car snsn1=un0s_n - s_{n-1} = u_n \ge 0. D’après le théorème de la limite monotone, une suite croissante converge dans R\mathbb{R} si et seulement si elle est majorée. Sinon, elle tend vers ++\infty.

Théorème 2 : Théorème de comparaison par inégalité

Hypothèses : Soient un\sum u_n et vn\sum v_n deux séries à termes positifs telles qu’il existe N0NN_0 \in \mathbb{N} pour lequel 0unvn0 \le u_n \le v_n pour tout nN0n \ge N_0.

Conclusion :

  1. Si vn\sum v_n converge, alors un\sum u_n converge.
  2. Si un\sum u_n diverge, alors vn\sum v_n diverge.

Preuve : Soient sn=k=N0nuks_n = \sum_{k=N_0}^n u_k et σn=k=N0nvk\sigma_n = \sum_{k=N_0}^n v_k. L’hypothèse implique 0snσn0 \le s_n \le \sigma_n.

  1. Si vn\sum v_n converge, alors la suite des sommes partielles de vn\sum v_n est majorée, donc (σn)(\sigma_n) est majorée. Par conséquent, (sn)(s_n) est aussi majorée. Étant croissante, (sn)(s_n) converge. Comme la nature d’une série ne dépend pas de ses premiers termes, un\sum u_n converge.
  2. La deuxième assertion est la contraposée de la première.

Pointeur vers d’autres résultats :

  • Comparaison par équivalents : Si un0u_n \ge 0, vn>0v_n > 0 et unvnu_n \sim v_n quand nn \to \infty, alors les séries un\sum u_n et vn\sum v_n sont de même nature.
  • Comparaison par négligeabilité : Si un=o(vn)u_n = o(v_n) et vn\sum v_n converge, alors un\sum u_n converge. Si vn=o(un)v_n = o(u_n) et vn\sum v_n diverge, alors un\sum u_n diverge.

Exemples

Exemple 1 : Convergence de 1n2\sum \frac{1}{n^2}

Pour n2n \ge 2, on a n2n(n1)n^2 \ge n(n-1), d’où 01n21n(n1)0 \le \frac{1}{n^2} \le \frac{1}{n(n-1)}.

On a vu que la série télescopique n21n(n1)\sum_{n \ge 2} \frac{1}{n(n-1)} converge. Par le théorème de comparaison, la série 1n2\sum \frac{1}{n^2} converge.

Exemple 2 : Divergence de 1n\sum \frac{1}{\sqrt{n}}

Pour n1n \ge 1, on a nn\sqrt{n} \le n, d’où 1n1n0\frac{1}{\sqrt{n}} \ge \frac{1}{n} \ge 0.

La série harmonique 1n\sum \frac{1}{n} diverge. Par le théorème de comparaison, la série 1n\sum \frac{1}{\sqrt{n}} diverge.

Exemple 3 : Convergence de en2\sum e^{-n^2}

Pour n1n \ge 1, on a n2nn^2 \ge n, donc n2n-n^2 \le -n, et 0en2en=(1/e)n0 \le e^{-n^2} \le e^{-n} = (1/e)^n.

La série (1/e)n\sum (1/e)^n est une série géométrique de raison 1/e]0,1[1/e \in ]0,1[, donc elle converge. Par comparaison, en2\sum e^{-n^2} converge.

Contre-exemples

Contre-exemple 1 : Importance de la positivité

Soit un=(1)nnu_n = \frac{(-1)^n}{n} et vn=1n2v_n = \frac{1}{n^2}. On n’a pas un0u_n \ge 0. L’inégalité unvnu_n \le v_n est vraie pour nn impair. La série vn\sum v_n converge, mais on ne peut rien conclure pour un\sum u_n avec ce théorème. (En fait, un\sum u_n converge).

Contre-exemple 2 : Mauvais sens de l’inégalité

Soit un=1nu_n = \frac{1}{n} et vn=1n2v_n = \frac{1}{n^2}. Pour n2n \ge 2, unvn0u_n \ge v_n \ge 0. La série vn\sum v_n converge, mais cela ne donne aucune information sur la nature de un\sum u_n (qui diverge).

Concepts Liés

  • Séries de Riemann : Les séries 1nα\sum \frac{1}{n^\alpha} forment une échelle de référence essentielle pour les tests de comparaison.
  • Comparaison série-intégrale : Une méthode puissante pour déterminer la nature de séries à termes positifs dont le terme général est monotone est de la comparer à l’intégrale de la fonction associée.

Concept 6: Critères de Convergence de Cauchy et d’Alembert

Prérequis

  • Limite supérieure et limite inférieure (limsup, liminf) d’une suite
  • Séries géométriques
  • Théorème de comparaison

Définition

Soit un\sum u_n une série à termes strictement positifs (un>0u_n > 0).

Proposition 1 : Règle de Cauchy (Root Test)

Soit l=lim supn(un)1/nl = \limsup_{n \to \infty} (u_n)^{1/n}.

  1. Si l<1l < 1, la série un\sum u_n converge.
  2. Si l>1l > 1, la série un\sum u_n diverge.
  3. Si l=1l = 1, on ne peut pas conclure.

Preuve :

  1. Si l<1l<1, on choisit ρ\rho tel que l<ρ<1l < \rho < 1. Par définition de la limite supérieure, il existe NNN \in \mathbb{N} tel que nN,(un)1/nρ\forall n \ge N, (u_n)^{1/n} \le \rho, soit unρnu_n \le \rho^n. Comme 0<ρ<10 < \rho < 1, la série géométrique ρn\sum \rho^n converge. Par comparaison, un\sum u_n converge.
  2. Si l>1l>1, par définition de la limite supérieure, il existe une sous-suite (unk)1/nk(u_{n_k})^{1/n_k} qui converge vers l>1l > 1. Donc, pour kk assez grand, (unk)1/nk>1(u_{n_k})^{1/n_k} > 1, soit unk>1u_{n_k} > 1. Le terme général unu_n ne tend pas vers 0. La série diverge grossièrement.

Proposition 2 : Règle de d’Alembert (Ratio Test)

Soit un\sum u_n une série à termes strictement positifs.

  1. Si lim supnun+1un<1\limsup_{n \to \infty} \frac{u_{n+1}}{u_n} < 1, la série un\sum u_n converge.
  2. Si lim infnun+1un>1\liminf_{n \to \infty} \frac{u_{n+1}}{u_n} > 1, la série un\sum u_n diverge.
  3. Si lim infnun+1un1lim supnun+1un\liminf_{n \to \infty} \frac{u_{n+1}}{u_n} \le 1 \le \limsup_{n \to \infty} \frac{u_{n+1}}{u_n}, on ne peut pas conclure.

Preuve :

  1. Si lim supun+1un=L<1\limsup \frac{u_{n+1}}{u_n} = L < 1, on choisit ρ\rho tel que L<ρ<1L < \rho < 1. Il existe NNN \in \mathbb{N} tel que nN,un+1unρ\forall n \ge N, \frac{u_{n+1}}{u_n} \le \rho. Par récurrence, unuNρnN=(uNρN)ρnu_n \le u_N \rho^{n-N} = (u_N \rho^{-N})\rho^n. La convergence de un\sum u_n découle de la convergence de la série géométrique ρn\sum \rho^n par comparaison.
  2. Si lim infun+1un=l>1\liminf \frac{u_{n+1}}{u_n} = l > 1, il existe NNN \in \mathbb{N} tel que nN,un+1un1\forall n \ge N, \frac{u_{n+1}}{u_n} \ge 1. La suite (un)nN(u_n)_{n \ge N} est donc croissante. Comme uN>0u_N > 0, la suite (un)(u_n) ne peut tendre vers 0. La série diverge grossièrement.

Propriétés Clés

  • Comparaison des critères : Le critère de Cauchy est plus puissant que celui de d’Alembert. On a toujours l’inégalité :

    lim infun+1unlim inf(un)1/nlim sup(un)1/nlim supun+1un\liminf \frac{u_{n+1}}{u_n} \le \liminf (u_n)^{1/n} \le \limsup (u_n)^{1/n} \le \limsup \frac{u_{n+1}}{u_n}

    Ainsi, si d’Alembert permet de conclure, Cauchy aussi. L’inverse n’est pas vrai.

  • Cas limite : Lorsque la limite (si elle existe) du rapport ou de la racine n-ième est 1, ces tests ne sont pas concluants. Il faut utiliser des règles plus fines (comparaison avec une série de Riemann, règle de Raabe-Duhamel, critère de Bertrand).

  • Estimation du reste : Si un des critères de convergence est vérifié avec une constante ρ<1\rho < 1 (i.e. unCρnu_n \le C\rho^n pour nNn \ge N), on peut majorer le reste rn=k=n+1ukr_n = \sum_{k=n+1}^\infty u_k par la somme d’une série géométrique:

    rnk=n+1Cρk=Cρn+11ρr_n \le \sum_{k=n+1}^\infty C\rho^k = C \frac{\rho^{n+1}}{1-\rho}

    Cela permet d’obtenir des estimations de la vitesse de convergence.

Exemples

Exemple 1 (d’Alembert)

Soit un=n22nu_n = \frac{n^2}{2^n}.

un+1un=(n+1)22n+12nn2=12(n+1n)2=12(1+1n)212<1\frac{u_{n+1}}{u_n} = \frac{(n+1)^2}{2^{n+1}} \frac{2^n}{n^2} = \frac{1}{2} \left(\frac{n+1}{n}\right)^2 = \frac{1}{2} \left(1+\frac{1}{n}\right)^2 \to \frac{1}{2} < 1

La série converge par le critère de d’Alembert.

Exemple 2 (Cauchy)

Soit un=(2n+13n+4)nu_n = \left(\frac{2n+1}{3n+4}\right)^n.

(un)1/n=2n+13n+423<1(u_n)^{1/n} = \frac{2n+1}{3n+4} \to \frac{2}{3} < 1

La série converge par le critère de Cauchy.

Exemple 3 (Cas l=1l=1)

Pour les séries de Riemann 1nα\sum \frac{1}{n^\alpha}, on a :

  • d’Alembert: un+1un=(nn+1)α1\frac{u_{n+1}}{u_n} = (\frac{n}{n+1})^\alpha \to 1.
  • Cauchy: (un)1/n=(1nα)1/n=nα/n=eαlnnne0=1(u_n)^{1/n} = (\frac{1}{n^\alpha})^{1/n} = n^{-\alpha/n} = e^{-\frac{\alpha \ln n}{n}} \to e^0 = 1.

Les deux critères sont inefficaces, alors que la série converge pour α>1\alpha>1 et diverge pour α1\alpha \le 1.

Contre-exemples

Contre-exemple 1 : Cauchy plus fort que d’Alembert

Considérons la série de terme général unu_n défini par u2k=22ku_{2k} = 2^{-2k} et u2k+1=32(2k+1)u_{2k+1} = 3 \cdot 2^{-(2k+1)}.

  • Critère de Cauchy : (u2k)1/(2k)=21=1/2(u_{2k})^{1/(2k)} = 2^{-1} = 1/2. (u2k+1)1/(2k+1)=(32(2k+1))1/(2k+1)=31/(2k+1)1/21/2(u_{2k+1})^{1/(2k+1)} = (3 \cdot 2^{-(2k+1)})^{1/(2k+1)} = 3^{1/(2k+1)} \cdot 1/2 \to 1/2.

    Donc lim sup(un)1/n=1/2<1\limsup (u_n)^{1/n} = 1/2 < 1. La série converge.

  • Critère de d’Alembert :

    u2k+1u2k=322k122k=3/2>1\frac{u_{2k+1}}{u_{2k}} = \frac{3 \cdot 2^{-2k-1}}{2^{-2k}} = 3/2 > 1.

    u2k+2u2k+1=22k2322k1=132=1/6<1\frac{u_{2k+2}}{u_{2k+1}} = \frac{2^{-2k-2}}{3 \cdot 2^{-2k-1}} = \frac{1}{3 \cdot 2} = 1/6 < 1.

    On a lim infun+1un=1/6\liminf \frac{u_{n+1}}{u_n} = 1/6 et lim supun+1un=3/2\limsup \frac{u_{n+1}}{u_n} = 3/2. Le critère de d’Alembert ne permet pas de conclure.

Concepts Liés

  • Rayon de convergence : Les critères de Cauchy et d’Alembert sont fondamentaux pour déterminer le rayon de convergence des séries entières. La formule de Cauchy-Hadamard pour le rayon de convergence RR d’une série entière anzn\sum a_n z^n est R=1/lim supan1/nR = 1/\limsup |a_n|^{1/n}.
  • Vitesse de convergence : Une série qui converge par l’un de ces critères est dite à convergence géométrique, car son terme général est majoré par le terme d’une série géométrique. C’est une convergence très rapide.